Тема № 1. Строительная климатология

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РЯЗАНСКИЙ ИНСТИТУТ (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

имени В.С.Черномырдина»

Кафедра физики и химии

ТИНИНА Е.В.

Строительная физика

Учебное пособие к практическим занятиям

Часть 1

Рязань 2013

УДК 69:53

Тинина Е.В.

Строительная физика. Учебное пособие к практическим занятиям. Часть 1. – Рязань: Рязанский институт (филиал) МГОУ имени В.С.Черномырдина, 2013. - 60 с.

Приведены основные теоретические сведения и понятия строительной физики, примеры решения задач и контрольные задания, описана методика выполнения расчетов по строительной климатологии, физике колебательных процессов, строительной теплофизике.

Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной формы обучения, специальностей 271101 и 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений» специализация «Строительство высотных и большепролетных зданий и сооружений», направлений 270800 и 08.03.01 «Строительство» профиль «Промышленное и гражданское строительство».

Печатается по решению методического совета Рязанского института (филиала) Московского государственного открытого университета имени В.С.Черномырдина.

ã Рязанский институт (ф) МГОУ

имени В.С.Черномырдина, 2013

ã Тинина Е.В., 2013

Введение

При проектировании и строительстве городов, микрорайонов, зданий и сооружений учитываются климатические и геофизические особенности местности – это рельеф, температура и влажность воздуха, солнечная радиация, количество и характер осадков, движение воздушных масс. Данные параметры влияют на ориентацию зданий и их формы, расположение зданий в микрорайоне и на формирование промышленных зон. А это, в свою очередь, сказывается на состоянии любого элемента здания или сооружения, на распределение тепла, влаги, света и движения воздуха внутри помещений.

Строительные материалы, а, значит, и ограждающие конструкции обладают свойством передавать механические колебания, вибрации, шум и звуковые колебания. Поэтому всегда проводится расчет проектируемых конструкций на шумозащиту и звукоизоляцию.

На современном этапе гражданского и промышленного строительства с применением новых строительных материалов, конструкций и технологий на первый план выходят предварительные теоретические расчеты, проводимые на стадии проектирования зданий и сооружений, микрорайонов и населенных пунктов. Одной из научных дисциплин, обеспечивающих теоретическое обоснование применения материалов, конструкций и форм, а также необходимые теоретические расчеты, является строительная физика.

Строительная физика – это дисциплина, изучающая физические процессы в ограждающих конструкциях, зданиях и сооружениях в зависимости от климатических условий и режима эксплуатации.

Строительная физика включает следующие основные разделы: строительную климатологию, теплофизику, строительную аэродинамику, строительную и архитектурную акустику, звукоизоляцию, светотехнику.

Данные строительной физики служат основой для рационального проектирования объектов и позволяют обеспечить соблюдение заданных технических условий, создать требуемый микроклимат внутри зданий и сооружений, а также на территории застройки.

Учебное пособие по дисциплине «Строительная физика» предназначено для проведения практических занятий, содержит теоретический материал по данной дисциплине и тематически делится на две части, что соответствует последовательному изучению тем на лекционных занятиях.

Тема № 1. Строительная климатология

Климат – это многолетний режим погоды с закономерной последовательностью атмосферных процессов, создающихся в данной местности в результате влияния солнечной радиации, атмосферной циркуляции и других природных явлений.

Условия формирования климата данного места зависят от широты, высоты над уровнем моря, от положения относительно океанов, морей и других больших водоемов, от формы рельефа, характера поверхности почвы, растительного и снежного покрова.

При проектировании зданий и территории застройки в целом проводится климатический анализ района строительства. Анализ делится на два этапа. На первом этапе производится оценка общих фоновых параметров климата района, а на втором переходят к конкретным данным для участка строительства.

Фоновые параметры объединяют наиболее общие условия, характерные для крупной территории, без детального учета подстилающей поверхности земли. Местные климатические условия, связанные с влиянием рельефа, акваторий, растительности и других компонентов ландшафта (например, высотности зданий), учитываются на втором этапе.

Основными климатическими параметрами являются температура, количество солнечной радиации, ветер, влажность.

Важным фактором при проектировании является учет солнечной радиации в летний период. Наибольшее ее количество падает на поверхности, близкие к горизонтальным. Максимальное значение суммарной радиации для вертикальных ограждений отмечаются при ориентации их на юго-запад, запад и юг, поскольку облучение солнечными лучами происходит во второй половине дня, когда температура наружного воздуха высокая, но данные особенности всегда зависят от широты местности.

Практически малыми можно считать поступления солнечной радиации менее 350 МДж/м², средними – от 351 до 700 МДж/м², высокими – более 701 МДж/м².

Для анализа ветрового режима используется роза ветров – показатель направления ветра по месяцам. Направление определяется точкой горизонта, от которой дует ветер. Строят розу ветров для самого холодного и самого жаркого месяца в году (январь и июль, соответственно). Построение ведется по восьми направлениям – сторонам горизонта. С помощью окружностей показывается повторяемость соответствующего направления в процентах. В таблице 1.1 представлены характеристики ветра согласно СНиП 23-01-99 для города Рязани, а на рисунке 1.1 – роза ветров в январе (восьмиугольник в центре рисунка).

Таблица 1.1 – Характеристики ветра для города Рязани

Характерис-тики ветра	Январь	Июль
С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	З	СЗ	С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	З	СЗ
Повторя-емость направлений ветра, %
Средняя скорость ветра по направлениям м/с	4,7	4,5	4,8	6,3	7,3	6,6	5,2	4,4	4,2	4,1	3,9	4,2	3,9	4,1	4,1	5,1

При установлении значения расчетной температуры наружного воздуха важно знать скорость охлаждения конструкции до расчетной предельно допустимой величины. При полном охлаждении температура поверхности ограждающей конструкции, обращенной в отапливаемое помещение, достигает минимального значения, что неблагоприятно влияет на температурное состояние помещения. Продолжительность процесса полного охлаждения зависит от массивности конструкции и характера изменения температуры наружного воздуха.

Степень массивности ограждающей конструкции приближенно устанавливается по величине объемной массы: особо легкие – от 50 до 60 кг/м², легкие – от 61 до 250 кг/м², средние – от 251 до 700 кг/м², массивные – более 701 кг/м².

Рисунок 1.1 – Роза ветров по направлениям для Рязани в январе месяце

Кроме этого, степень массивности характеризуется тепловой инерцией D (безразмерная величина), определяемой как произведение термического сопротивления R (^оС·м²/Вт) на коэффициент s теплоусвоения материала (Вт/^оС·м²). Для слоистых ограждающих конструкций данная величина представляет собой сумму отдельных величин тепловой инерции каждого слоя

(1.1)

где n – количество слоев.

Термическое сопротивление определяется по формуле

, (1.2)

где δ – толщина отдельного слоя, м;

λ – коэффициент теплопроводности материала, Вт/^оС^.м.

Тепловая инерция определяет массивность конструкции в диапазонах: особо легкие – до 1,5, легкие – от 1,51 до 4, средние – от 4,01 до 7, массивные – от 7,01 и выше. Для особо легких, легких и массивных конструкций температура наружного воздуха берется как минимальная температура по СНиП 23-01-99. Для конструкций средней массивности температура устанавливается как полусумма температур суточных t₁ и пятисуточных t₅ периодов

(1.3)

Задание 1.1. Определить благоприятные и неблагоприятные направления ориентаций окон помещения по сторонам горизонта для 59 параллели северной широты.

Решение. Для определения направления ориентации окон необходимо использовать СНиП 23-01-99 (таблицы 4 и 5). Согласно таблицам проводится оценка количества солнечной радиации и сравнение полученного значения с величинами солнечной радиации в диапазонах малое, среднее и высокое поступление. Анализ ведется для мая, июня, июля, августа.

В итоговой таблице отображается информация по ориентации квартир по сторонам горизонта: достаточно или недостаточно солнечной радиации, наблюдается ли перегрев помещений в зависимости от стороны горизонта и широты местности (таблица 1.2). Рассматриваются горизонтальная и вертикальная поверхности.

Таблица 1.2 – Оценка солнечной радиации для 59 параллели

Поверхности	Оценка солнечной радиации
горизонтальная	Превышение нормы
вертикальная	СЗ, С, СВ – запретные секторы для квартир односторонней ориентации	Все остальные секторы находятся в среднем диапазоне	В, З, ЮВ – наиболее благоприятные направления ориентации	Ю, ЮЗ – наименее благоприятные направления ориентации

В таблице 1.3 даны варианты для самостоятельного решения¹ задания 1.1.

Таблица 1.3 – Задание 1.1 по вариантам

№ варианта	Параллель северной широты

Задание 1.2. Построить розу ветров для января и июля (номера вариантов представлены в таблице 1.4).

___________________

¹После описания решения каждого задания даны таблицы, в которых приведены варианты для самостоятельного решения.

Таблица 1.4 – Задание 1.2 по вариантам

№	Название населенного пункта	Повторяемость направлений ветра (верхнее число), в процентах, средняя скорость ветра по направлениям (нижнее число), м/с
Январь	Июль
С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	З	СЗ	С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	З	СЗ
	Архангельск	3,6	3,2	4,2	4,9	5,1	5,9	6,6	6,2	4,6			3,8	3,5	4,3	4,7	4,8
	Калининград	2,7	4,9	4,1	4,3	4,2	5,9		5,9	3,6	3,2		3,3	3,3	4,4	5,4	4,3
	Казань	3,8	4,2	4,2		5,7	4,8	4,8	3,8	3,8	3,6	3,9	3,3	3,3	3,2		4,2
	Астрахань	4,1	4,3	4,8	4,6	3,2	4,4	4,7	4,7	3,6	3,7		4,2		3,7	3,7	3,9
	Сочи	2,2	2,3	3,7	6,5		3,5	3,3	3,7	1,9	1,8	2,3	3,9	2,9	2,6	3,2	3,1
	Новосибирск		2,8	2,3		4,7	5,7	3,7			2,6	2,7	2,9	3,2	3,5	2,8	2,5
	Якутск	2,5	2,6		1,3	1,6	2,2	2,8	2,7	2,9	3,3		3,1	3,2	3,8	4,1	3,6
	Брянск	4,6	4,6	4,9	5,3	5,6	6,3	5,2	4,8		3,8	3,5	3,4	3,7	4,4	4,4	4,5
	Хабаровск	3,3	5,7	4,2	2,7	3,5	5,9	4,1	2,2	3,4		4,6	3,3	3,6	4,6	3,6	2,9
	Томск	2,8	3,3	3,1	3,4	5,6		2,8	2,4	2,8	3,4		2,9	3,2	2,8	2,2	2,5

Задание 1.3. Определить расчетную температуру наружного воздуха для стены здания в Москве, выполненной в виде панели из карамзитобетона с плотностью материала 800 кг/м³, толщиной 30 см, коэффициентом теплопроводности 2900 Вт/^оС·м и коэффициентом теплоусвоения 37450 Вт/^оС·м², покрытой с двух сторон бетонными фактурными слоями толщиной по 1,5 см, плотностью 1600 кг/м³, коэффициентом теплопроводности 7560 Вт/^оС·м и коэффициентом теплоусвоения 85485 Вт/^оС·м².

Решение. Сначала необходимо рассчитать объемную массу такой конструкции

кг/м².

При расчете получилась конструкция средней массивности. По формулам 1.1 и 1.2 вычисляется тепловая инерция

Данная величина получилась больше 4,01, поэтому этот расчет подтверждает, что заданная конструкция относится по массивности к средней, и расчетная температура наружного воздуха определяется по формуле 1.3.

По СНиП 23-01-99 (таблица 1, обеспеченность 0,92) устанавливаются величины температур наиболее холодных суток -32 ^оС и наиболее холодного пятисуточного периода -28 ^оС. Расчетная температура наружного воздуха

^оС.

Ответ: t_расч=-30 ^оС.

Таблица 1.5 – Задание 1.3 по вариантам

№ в-а	Плотность материала панели, кг/м³	Толщина панели, см	Коэффициент теплопроводности панели, Вт/^оС^.м	Коэффициент теплоусвоения панели, Вт/^оС^.м²	Толщина фактурного слоя, см	Плотность фактурного слоя, кг/м³	Коэффициент теплопроводности фактурного слоя, Вт/^оС^.м	Коэффициент теплоусвоения фактурного слоя, Вт/^оС^.м².
					1,5

					2,5
					1,5

					2,5
					1,5

					2,5
					1,5